《Discover Neuroscience》：Heavy metal induced cellular proteostasis failure promotes neurodegeneration and therapeutic opportunities
接触重金属是神经退行性疾病的重要环境危险因素。持续接触包括铅、汞、镉、锰、铜和砷在内的重金属，均为不可生物降解、具有生物蓄积性的毒物，能够穿过血脑屏障（blood–brain barrier, BBB）并扰乱神经元稳态。它们触发炎症反应、钙失衡、过量活性氧（reactive oxygen species, ROS）产生及线粒体功能障碍，所有这些均导致神经元损伤。线粒体损伤的特征为膜电位受损、ATP产生减少以及促凋亡因子释放，从而加重氧化应激并危及突触完整性。同时，重金属损害自噬流，阻断自噬体-溶酶体融合，并干扰溶酶体酸化。mTORC1、AMPK和TFEB等关键信号通路的功能障碍导致蛋白质稳态受损，并形成有害蛋白聚集体，包括淀粉样蛋白-β（amyloid-β, Aβ）、过度磷酸化tau和α-突触核蛋白——这些是主要神经退行性疾病的标志。此外，与重金属暴露相关的表观遗传修饰驱动的、与突触可塑性、炎症和神经元存活相关的持续基因表达变化，包括DNA甲基化改变、组蛋白修饰和microRNA失调。与年龄相关的线粒体更新、抗氧化能力和溶酶体效率下降增加了对金属诱导毒性的易感性，形成加速神经退行性过程的协同环境。本综述整合了关于重金属损害神经元蛋白质稳态的分子机制的当前知识，特别强调泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）、内质网蛋白质稳态、未折叠蛋白反应（unfolded protein response, UPR）、分子伴侣、选择性自噬和溶酶体降解，并阐述了重金属如何协同破坏这些相互关联的通路以加速神经退行性变。临床试验编号：不适用。
1 Introduction
神经退行性变是一种进行性神经元死亡过程，最终导致痴呆和认知障碍。重金属（heavy metals, HMs）作为环境污染物，通过氧化应激、线粒体功能障碍、内质网（endoplasmic reticulum, ER）应激及蛋白质质量控制受损等机制破坏细胞蛋白质稳态（proteostasis）。溶酶体是维持细胞稳态的关键细胞器，自噬-溶酶体途径（autophagy-lysosomal pathway, ALP）包括巨自噬、分子伴侣介导的自噬和微自噬，在清除毒性蛋白和受损细胞器中发挥核心作用。本综述聚焦铅、镉、汞、锰、铜和砷六种重金属，并简要提及铁、锌和铝。
1.1 Scope of the review and literature selection criteria
本综述基于PubMed、Scopus和Web of Science等数据库，检索了过去10至15年相关同行评审文献，优先纳入具有机制洞察力的原始研究、系统综述和高水平综述。重点是六种环境神经毒性金属——铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、锰（Mn）、砷（As）和铜（Cu），它们通过氧化应激、ER应激、线粒体功能障碍、蛋白酶体损伤、自噬缺陷和蛋白质聚集等机制破坏神经元蛋白质稳态。
2 Cellular proteostasis network: Components and crosstalk
蛋白质稳态网络包括分子伴侣、ER质量控制、未折叠蛋白反应（unfolded protein response, UPR）、泛素-蛋白酶体系统（ubiquitin-proteasome system, UPS）和ALP。这些组分协同检测错误折叠蛋白、促进其再折叠或降解，并防止毒性聚集。长期重金属暴露同时破坏多个组分，导致蛋白质稳态逐步崩溃，驱动神经退行性变。
2.1 Molecular chaperones: The first line of proteostasis defense
分子伴侣如热休克蛋白（heat shock protein, HSP）家族（HSP70、HSP90、HSP40及小热休克蛋白）是蛋白质稳态的第一道防线。重金属诱导的ROS氧化蛋白侧链，增加未折叠蛋白负荷。最初细胞通过热休克因子-1（HSF1）上调伴侣蛋白进行适应，但持续暴露使伴侣容量超载，导致Aβ、过度磷酸化tau和α-突触核蛋白等聚集。
2.2 Endoplasmic reticulum proteostasis and protein quality control
ER负责分泌蛋白和膜蛋白的合成、折叠与质量控制。重金属通过破坏硫醇氧化还原平衡、干扰钙稳态、抑制ATP产生等方式扰乱ER蛋白质稳态，导致未折叠蛋白积累，激活UPR。镉、汞、铅、锰、砷均与ER钙库失稳及ER应激相关。
2.2.1 Unfolded protein response: Adaptive signalling and cellular fate
UPR由PERK、IRE1α和ATF6三个跨膜传感器介导，正常时被BiP/GRP78抑制。ER应激时BiP解离，激活三个通路。短暂UPR具有细胞保护作用，但重金属持续暴露导致PERK–ATF4–CHOP凋亡通路、IRE1α–ASK1–JNK信号过度激活，引发线粒体功能障碍、神经炎症和caspase依赖性神经元死亡。
2.3 Ubiquitin–proteasome system: Selective degradation of damaged proteins
UPS是选择性降解短寿、氧化、错误折叠蛋白的主要途径。重金属通过氧化蛋白酶体催化亚基、抑制蛋白酶体活性、耗竭ATP和干扰泛素化酶，导致泛素化蛋白积累，促进Aβ、tau、TDP-43和α-突触核蛋白等聚集蛋白的蓄积。
2.3.1 Disruption of the Ubiquitin–Proteasome System and Protein Quality Control by Heavy Metals
镉可抑制26S蛋白酶体活性并诱导ER应激和氧化应激；汞促进蛋白氧化并抑制蛋白酶体；铅导致过度磷酸化tau和淀粉样前体蛋白（APP）积累；锰诱导氧化应激、抑制蛋白酶体并导致α-突触核蛋白积聚。UPS功能障碍时，p62/SQSTM1等接头蛋白将泛素化聚集体导向自噬降解，但持续抑制自噬流会加重蛋白质稳态崩溃。
2.4 Selective autophagy: Integrating ubiquitin–proteasome and lysosomal protein quality control
选择性自噬通过p62/SQSTM1、NBR1和OPTN等接头蛋白清除泛素化蛋白聚集体和受损细胞器。线粒体自噬由PINK1–Parkin通路调控，镉、锰、汞、砷可干扰该通路。聚集自噬降解Aβ、tau、α-突触核蛋白等聚集体；内质网自噬（ER-phagy）清除受损ER片段；铁蛋白自噬（ferritinophagy）通过NCOA4调节铁释放。重金属长期暴露损伤cargo识别和自噬流，导致线粒体、ER和蛋白聚集体堆积。
2.5 TFEB-regulated lysosomal signalling and maintenance of cellular proteostasis
转录因子EB（TFEB）是ALP的核心调控因子。营养丰富时mTORC
1磷酸化TFEB使其滞留胞质；应激时TFEB去磷酸化入核，激活CLEAR基因网络，促进溶酶体生物发生和自噬。TFE3与TFEB功能相似。药理学激活TFEB/TFE3可恢复溶酶体功能，清除蛋白聚集体和受损细胞器。
3 Oxidative stress, mitochondrial dysfunction, and their interplay with cellular proteostasis
重金属通过四种机制引起细胞毒性，包括结合巯基、替代金属离子、模拟磷酸基团和自身氧化产生ROS。神经元因高氧消耗、多不饱和脂肪酸丰富和抗氧化能力低而尤其易感。铅、锰、汞、镉、铜等损害线粒体膜电位、降低ATP生成、释放细胞色素c和凋亡诱导因子（AIF），并破坏线粒体相关ER膜。
3.1 Disease-specific proteostasis mechanisms in heavy metal-induced neurodegeneration
铅、镉、汞、铜促进APP加工、Aβ积累和tau过度磷酸化，与阿尔茨海默病相关；锰、汞、铜促进α-突触核蛋白聚集和PINK1–Parkin线粒体自噬障碍，与帕金森病相关；重金属引起的氧化应激和自噬缺陷导致TDP-43聚集，与肌萎缩侧索硬化相关；线粒体功能障碍和蛋白酶体损伤减少突变亨廷顿蛋白（mHTT）清除，与亨廷顿病相关。
4 Epigenetic and molecular mechanisms underlying heavy metal-induced neurotoxicity
重金属暴露改变表观遗传修饰，包括DNA甲基化、组蛋白修饰和microRNA失调。铅暴露降低DNMT1/DNMT3a表达并改变组蛋白修饰，影响APP和BACE-1等AD相关基因；锰诱导α-突触核蛋白基因低甲基化并影响组蛋白乙酰化；砷暴露与组蛋白低乙酰化和记忆缺陷相关；汞影响DNA甲基转移酶活性并改变miRNA表达；镉增强HDAC2表达。这些变化与衰老协同，加速神经退行性变。
5 Lysosomal homeostasis, nutrient sensing, and autophagy–lysosomal signalling in heavy metal neurotoxicity
溶酶体不仅是降解细胞器，还是营养感知和信号中枢。V-ATP酶维持溶酶体酸化，mTORC
1和AMPK感知营养与能量状态。重金属干扰溶酶体酸化、阻断自噬体-溶酶体融合，导致自噬流受损。溶酶体Ca
2+通过TRPML1释放，激活钙调磷酸酶使TFEB去磷酸化，促进溶酶体生物发生。重金属还通过干扰mTORC1-TFEB信号轴和TRPML1介导的Ca
2+信号，抑制自噬流并激活NLRP3炎症小体。
5.1 Integrated mechanisms of heavy metal-induced neurotoxicity
铅、镉、汞、锰、铜和砷尽管化学性质不同，但共同诱导ROS产生、线粒体功能障碍、Ca
2+失衡、mTORC1-TFEB信号破坏、溶酶体功能障碍和炎症小体激活，导致UPS和自噬同时受损，最终促进Aβ、tau和α-突触核蛋白等聚集蛋白的蓄积。
6 Autophagy-lysosomal pathway (ALPs)
ALP由ATG基因调控，分为诱导、吞噬泡成核、延伸、成熟及与溶酶体融合等阶段。ULK1复合物、III类PI3K复合物、ATG12-ATG5-ATG16L1复合物和LC3参与自噬体形成。SNARE蛋白、RAB7等介导自噬体与溶酶体融合。衰老过程中自噬相关蛋白表达下降，溶酶体蛋白水解功能减弱，加剧蛋白质聚集和代谢紊乱。
7 Dose–response considerations in HMs-induced proteostasis dysfunction
非必需金属（铅、汞、镉、砷）在低剂量下即具毒性；必需微量金属（铜、锰）呈双相剂量反应。体外和动物实验中使用的浓度通常超过生理水平，以模拟长期环境或职业暴露。年龄、营养状况、遗传和累积环境暴露均影响易感性。
8 Autophagy–lysosomal dysfunction triggered by heavy metal exposure
重金属暴露通过特定分子事件抑制溶酶体和自噬流，引起氧化损伤和神经毒性。
8.1 Lead
铅暴露通过调节mTOR通路诱导异常自噬，增加LC3II/LC3I和Beclin1表达，但降低自噬流。铅还通过NF-κB依赖性BACE1转录促进p-tau和Aβ
1–40积累，并诱导α-突触核蛋白聚集。此外，铅减少溶酶体数量和大小，抑制自噬体-溶酶体融合。
8.2 Copper
铜暴露通过AMPK/mTOR通路诱导自噬，但过量铜抑制PINK1/Parkin介导的线粒体自噬，并通过NLRP3/Caspase-1/GSDMD通路促进焦亡。铜毒性还涉及铜死亡（cuproptosis），即铜直接结合三羧酸循环中的脂酰化酶，导致蛋白聚集和线粒体蛋白质毒性应激。
8.3 Mercury and methylmercury
甲基汞通过PI3K/Akt/mTOR通路诱导自噬和氧化损伤，但损害溶酶体降解功能，导致自噬体积累和神经元死亡。甲基汞还激活NLRP3炎症小体，促进TNF-α、IL-18和IL-1β释放。自噬抑制可加剧炎症，而NLRP3抑制可减轻炎症。
8.4 Cadmium
镉暴露诱导ER应激，上调GRP78、caspase-12和CHOP，并激活自噬作为保护反应。镉通过JNK通路和Ca
2+升高减少自噬流，诱导Akt介导的Beclin1磷酸化，抑制自噬体-溶酶体融合。镉还降低TFEB表达，而TFE3过表达可通过维持溶酶体-线粒体轴发挥保护作用。
8.5 Manganese
锰暴露上调LRRK2表达和激酶活性，导致RAB10过度磷酸化、溶酶体功能障碍和组织蛋白酶B泄漏，激活NLRP3炎症小体。锰还通过FOXO3核转位诱导线粒体自噬，但过量锰抑制SIRT1，减少FOXO3去乙酰化，从而抑制保护性自噬。锰暴露也诱导ER应激，PERK/eIF2α/ATF4通路激活可触发自噬作为代偿性保护反应。
8.6 Arsenic
砷暴露下调紧密连接蛋白Claudin表达，增加血脑屏障通透性，并通过抑制PI3K/Akt/mTOR通路诱导年龄依赖性自噬。砷降低组织蛋白酶L和D表达，阻碍自噬流，而TFEB过表达可逆转该阻滞。砷还激活AMPK/mTOR通路，触发自噬依赖性凋亡，并持续激活p62依赖性Nrf2/KEAP1信号。
9 Therapeutic strategies targeting cellular proteostasis in heavy metal-induced neurodegeneration
由于重金属同时破坏多个细胞通路，单一靶点治疗难以奏效，多靶点策略受到关注。
9.1 TFEB activators
海藻糖、姜黄素、金雀异黄酮、2-羟丙基-β-环糊精和ML-SA1等小分子可激活TFEB，恢复溶酶体生物发生和自噬，促进Aβ、tau和α-突触核蛋白等聚集蛋白的清除。
9.2 TRPML1 agonists and lysosomal calcium restoration
ML-SA1等TRPML1激动剂恢复溶酶体Ca
2+释放，激活钙调磷酸酶使TFEB去磷酸化，促进自噬体-溶酶体融合和线粒体质量控制，从而减轻重金属诱导的溶酶体损伤。
9.3 mTOR modulators
雷帕霉素、依维莫司和替西罗莫司等mTORC
1抑制剂可促进自噬、增加溶
